高分辨率遥感影像的软阴影检测与高保真修复方法研究

This project is designed to solve the degradation problem in high spatial resolution images caused shadows. The theories and methods of the shadow detection and compensation are explored based on the analysis of the radiance characteristics of shadows. Since the shadow radiance characteristics are not paid enough attentions in current methods, the spatial and spectral features of shadows are not well considered, which causes artifacts and color casts in the results. Therefore, in this project, the shadow radiance characteristics are firstly investigated by quantizing the relation between the shadow degradation degree and the corresponding factors based on the radiance measurements. Secondly, considering the imaging mechanism and the shadow spatial and spectral features, a variational model for the soft shadow detection is constructed by combining the non-local regularized sparse prior and the band correlation prior. Finally, based on the similarity between patches in high spatial resolution images, the shadow compensation method with high-fidelity is developed by using the simultaneous sparse representation. The proposed methods are expected to make up the shortages of the current ones, to improve the qualities and raise the potentials of the high spatial resolution images. Therefore, this is a meaningful research of great theoretical and practical significances.

本项目针对高分辨率遥感影像中的阴影降质问题，从阴影的辐射物理特性出发，开展高精度软检测与高保真修复方法的理论与方法研究。现有方法由于缺少对阴影辐射物理特性的准确解析，从而对阴影的空间与光谱特征顾及不足，导致处理结果出现人工伪痕与色彩偏差。因此，本项目拟首先解析阴影的辐射物理特性，量化阴影降质度与多种干扰因素的关系；其次，根据多光谱影像的成像机理，结合阴影特性解析，充分顾及阴影的空间与光谱特征，综合非局部稀疏先验与波段相关性先验，构建高精度软阴影检测的变分模型；最后，挖掘高分辨率影像的自相似性，采用联合稀疏表达技术，发展空间与光谱高保真的阴影修复方法。本项研究有望弥补现有方法的不足，改善高分辨率遥感影像的质量，提升其应用潜力，具有重要的理论和应用价值。

阴影普遍存在于高分辨率遥感影像中，它是造成辐射畸变的一个重要因素，因此，检测并修复阴影对提升遥感影像质量具有重要意义。项目针对高分辨率遥感影像中多种类型的阴影，包括建筑物阴影、山体阴影、云阴影等，开展检测与修复方法研究。在阴影检测方面，利用变分模型建立一种空间自适应的阴影场提取方法，特别地，针对山体与云的阴影，利用光谱、几何等多种特征实现阴影的检测；在阴影修复方面，利用影像亮度场的空间平滑与结构特性，建立顾及地表空间异质性的阴影修复方法，针对高分影像中山体投射阴影不可忽略的问题，利用变分优化模型建立全阴影校正框架；针对高分辨率航空影像整体辐射不均的问题，联合多尺度策略与分裂Bregman数值优化算法，建立快速辐射不均校正方法。项目采用航空影像和高分辨率卫星影像开展实验，结果表明，基于亮度场的空间自适应校正方法能够有效检测并修复建筑物阴影，在补偿阴影区亮度的同时，重建清晰的地物纹理与边界，顾及投射阴影的地形校正框架能有效提升传统地形校正的不足，且具有较强的普适性；多尺度辐射不均校正方法能够快速纠正影像整体亮度不均，为后续高阶处理提供辐射均匀的数据。. 按照既定的研究计划，项目圆满完成了课题设定的研究内容，实现了预期目标，并在研究的深度和广度上都有了进一步扩展。在项目资助下，项目组发表科研论文6篇，其中3篇SCI检索；申请发明专利1项；在人才培养方面，项目负责人入选“珞珈青年学者”；项目组培养毕业硕士1名，在读博士3名。